埋地聚乙烯管線外部土壤空穴的微波無損定量檢測

回沛林，李 勇，王若男，方 陽，陳振茂

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049；2.福建技術師范學院 無損檢測技術重點實驗室，福清 350300)

聚乙烯(PE)管由PE樹脂制成，具有連接可靠、抗沖擊、抗開裂、耐腐蝕、耐磨、耐老化、內壁光滑且搬運方便等特性，被越來越廣泛地應用于地下油氣輸送、給排水等工程領域。然而，在服役過程中，地震作用、巖土疏松等因素會造成埋地PE管線外部土壤產生空穴，該空穴是導致管線位置偏移、管體局部應力集中、管壁變形等損傷的因素之一，嚴重危害PE管線的結構完整性。因此，及時發現PE管線外部土壤空穴并對其進行無損定量評估，對保證PE管線完整性、安全性，防止油、氣、水泄露等安全事故的發生非常重要。目前針對埋地管線的主要無損檢測方法有渦流檢測、超聲檢測、紅外檢測等，但這些方法均不能有效地用于PE管線外部土壤空穴的定量檢測，其主要原因在于：① 渦流檢測適用于金屬材料檢測，而聚乙烯是非金屬材料，故無法成功實施檢測[1]；② 超聲檢測需要保證良好的接觸和進行表面預處理，無法由PE管線外部或內部對空穴進行定量檢測[2]；③ 熱輻射場透過PE管體或巖土層對空穴進行定量檢測的難度極大[3]。

微波檢測是利用微波在介電材料中傳播時，遇到異質界面發生反射、透射和散射的特性而提出的一種新型無損檢測技術，該技術具有檢測頻譜寬、穿透力強、靈敏度高、非接觸、無需耦合劑等特點，同時兼有檢測速度快、受環境影響小以及綠色環保等優勢。近年來，微波檢測已漸漸成為無損檢測熱門研究方向之一，受到國內外學者的廣泛關注[4]。董仁杰[5]為油輪管系及石油儲運管道檢測提供了一種定位缺陷、確定缺陷尺寸、評價缺陷等級于一體的缺陷檢測與評級方法。胡金花等[6]集中研究了基于矩形開口波導的GFRP(玻璃纖維增強塑料)表面缺陷微波檢測相關方法。CHEN等[7]研究了管道彎曲對于微波無損檢測性能的影響。BüYüK?ZTüRK等[8-9]提出了一種利用機載喇叭天線在遠場條件下進行雷達無損檢測的方法，實現了GFRP包裹混凝土柱的GFRP-混凝土界面脫黏和混凝土開裂等損傷的檢測。譚建國等[10]研究了CFRP沖擊損傷的毫米波檢測可視化定量評估手段。楊玉娥等[11]證明了利用合適尺寸的同軸探頭可以實現在低頻率段對熱障涂層的微波無損檢測。 然而，國內外鮮有關于基于微波反射法對PE管線外部土壤空穴進行無損定量檢測的研究報道。

鑒于此，文章通過系列試驗研究，集中探究了基于微波反射法定量評估PE管線外部土壤空穴的可行性。

1 檢測原理及試驗平臺

1.1 PE管線外部土壤空穴的微波檢測原理

PE管線外部土壤空穴的微波無損檢測原理如圖1所示。檢測時，同軸探頭緊貼PE管內壁向外發射TEM波(橫電磁波)，入射波輻射主方向與PE管管壁垂直，其穿透PE管管壁后經過一定距離(空穴域)接觸空氣-土壤異質界面，入射波在該界面發生反射，反射波經過空穴域再次穿過PE管后被同軸探頭接收。通過矢量網絡分析儀對入射波和反射波的能量進行測量，取兩者比值獲得反射系數S11，該系數與PE管與土壤之間的空氣域，即空穴域尺寸緊密相關。

圖1 PE管線外部土壤空穴的微波檢測原理示意

在透射反射過程中，微波能量會在PE管體以及空穴域中發生損耗。若土壤距離PE管越遠(即PE管線外部土壤空穴越大)，則反射波能量越小，S11越小。因此，通過拾取該變化并對其進行定量分析有望實現對PE管線外部土壤空穴的微波無損定量檢測。

1.2 微波檢測試驗平臺

基于上述微波檢測原理，文章搭建的PE管線外部土壤空穴微波無損定量檢測試驗系統結構如圖2所示，該系統主要由矢量網絡分析儀、同軸探頭、PE管、土壤層及計算機組成。同軸探頭與矢量網絡分析儀端口連接，在激勵下向外輻射平面電磁波，同時，該探頭測取由空氣-土壤異質界面反射回的回波，經矢量網絡分析儀處理，輸出不同頻率下的微波反射系數S11(包括幅值和相位)，得到微波檢測信號，該信號由計算機儲存、顯示以及處理，用于對PE管線外部土壤空穴實施定量評估。試驗中，同軸探頭緊貼固定于PE管內壁，通過改變土壤層與PE管外壁的距離(用于模擬空穴尺寸的變化)，測取多組反射系數，通過信號處理、特征提取等手段，建立微波檢測信號與PE管線外部土壤空穴尺寸的關聯規律。

圖2 PE管線外部土壤空穴微波無損定量檢測試驗系統結構示意

2 試驗結果及討論

2.1 PE管線外部土壤空穴的微波響應分析

首先針對PE管線外部土壤空穴的微波響應進行分析，以初步確定空穴微波檢測的可行性。通過查閱相關資料得到空氣、土壤及PE管的相對介電常數(空氣為1，PE管為2.26；干燥狀態下的土壤為2.8)。微波檢測時電磁波反射率Γ的計算式為

(1)

式中：Z1和Z2分別為介質1和介質2的波阻抗，波阻抗Z的計算式如式2所示。

(2)

式中：μ和ε分別為介質的磁導率和介電常數。

通過計算可知，當PE管外壁存在空穴時(即微波輻射域內存在PE-空氣界面)，反射系數為0.201 1；當PE管外壁無空穴時，即微波輻射域內存在PE-土壤界面(不存在PE-空氣界面)，反射系數為0.053 5。由此可見，存在空穴時所拾取微波的反射系數更大。試驗時，分別對PE管外壁有/無土壤層情況測取3組微波掃查數據，獲得S11，微波掃頻波段為Ka波段。測取3組數據時，探頭分別位于距PE管底部15，20，25 cm處，其中一組數據曲線如圖3所示。由圖3可見(圖中幅值為比值，無量綱，下同)，S11數據的相位信息在有/無土層包裹情況下存在明顯區別，而幅值信息在低頻區域的變化相對明顯，這是因為微波頻率越低，所激發入射波對PE管體的穿透效果越好，對PE管外部區域材料的變化情況越靈敏。

圖3 有無土壤包裹情況下S11數據對比

在以上分析基礎上，分別對有/無土壤層情況下各頻率對應的S11幅值進行信號處理，求取其均值，將S11幅值均值作為特征量，用以區分PE管外部空穴情況。利用有/無空穴情況下不同掃查位置的S11幅值均值繪制掃查曲線(見圖4)，在圖4中，掃查位置1，2，3分別對應距PE管端部的15，20，25 cm處。由圖4可見，通過S11數據的幅值均值可對PE管線外部是否存在空穴進行有效判定，試驗結果初步驗證了利用微波反射法進行PE管外部空穴檢測的可行性。

圖4 有無土壤包裹情況下S11幅值均值曲線

2.2 PE管線外部土壤空穴尺寸的定量檢測

為有效提升PE管線外部土壤空穴尺寸微波定量檢測的靈敏度，鑒于先前的研究結論，首先對微波檢測頻段進行分析和擇優選取。采用多個微波波段對空穴進行檢測，對比不同PE-土壤距離下微波信號的變化，選擇信號差異性最大時對應的微波波段進行后續試驗。分別采用Ka波段、X波段以及C波段微波對不同PE-土壤距離進行檢測，各波段在不同距離下測取兩組S11數據用于對比。將同一距離下測得的兩組數據的差值與另一距離下測得數據的差值進行對比，若對比明顯則說明該波段微波對PE-土壤距離敏感，可用于PE管外壁土壤空穴的定量檢測。3個波段不同距離下信號的對比如圖5～7所示。

圖5 Ka波段10 cm與20 cm處的S11信號對比

圖6 X波段5 cm與15 cm處的S11信號對比

圖7 C波段10 cm與20 cm處的S11信號對比

由圖5～7的綜合對比可見，相比C波段，Ka波段和X波段微波對空穴尺寸響應靈敏度不足，且C波段中4 GHz～5 GHz頻段對空穴尺寸具有最高響應靈敏度，因此，選擇4～5 GHz作為最優微波頻段。

在C波段的4～5 GHz頻帶中，對PE管-土壤距離分別為0，2，4.4，6.8，8.6，10.6，12.8，14.5，15.9，18.1，19.9 cm的情況進行微波檢測，提取S11幅值均值作為檢測信號的特征，建立S11幅值均值-空穴尺寸映射關系曲線。研究選擇其中7組數據(對應PE-土壤距離為0，2，4.4，10.6，15.9，18.1，19.9 cm)進行數值擬合，獲取映射關系函數。余下的4組數據(對應PE-土壤距離為6.8，8.6，12.8，14.5 cm)用于驗證所獲擬合曲線及其對應函數在空穴尺寸定量評估中的準確度。所得S11幅值均值-空穴尺寸映射關系曲線如圖8所示。

圖8 S11幅值均值-空穴尺寸映射關系曲線

由圖8可見，土壤距離越遠則S11幅值均值越大，這是因為微波遇到土壤時的反射率低于遇到空氣時的反射率，因此空穴尺寸越大反射能量越強，這一現象與前述計算結果相符。對前述4個空穴對應的S11幅值均值進行反算，求取其空穴尺寸預測值，將反求數值結果與空穴實際大小作對比，以評估空穴尺寸微波定量檢測的精度。求取所得的空穴尺寸預測值與實際值的對比結果如表1所示。由表1可知，4～5 GHz微波對土壤距離檢測的平均相對誤差為5.5%，最大絕對誤差為8mm。由此可見，結合C波段(4～5 GHz)微波同軸探頭對PE管外部土壤空穴實施無損定量檢測是可行的，其定量精度小于±8 mm，滿足當前工程中對空穴尺寸的定量精度要求。

表1 4個空穴尺寸預測值與實際值對比

3 結語

研究了微波反射法對PE管線外部土壤空穴無損定量檢測的可行性。結合所搭建試驗平臺，首先對PE管外壁土壤包裹性的微波檢測進行了探究。結果表明，利用微波反射法可區分PE管外壁有/無空穴的情況。在此基礎上，利用檢測信號作差，確定了最佳微波檢測波段，即C波段4～5 GHz。試驗結果表明，通過多組實測數據所建立的S11幅值均值-空穴尺寸映射關系曲線具備單調特性，即S11幅值均值隨空穴尺寸增大而增大。結合所建立映射關系曲線對4個空穴尺寸進行反算得到的預測值與實際值吻合度較高，絕對誤差小于8 mm，滿足當前工程中對空穴尺寸的定量精度要求。